Porträtbild Prof. Clemens

Neu an der Uni: Prof. Oliver Clemens

Künftige Batterie-Technologien

Was kommt nach Lithium-Ionen-Batterien, welche neuen Materialien werden für künftige Batterie-Generationen gebraucht und lassen sich über Batterieprozesse auch Materialien mit neuen Funktionseigenschaften erzeugen? Diese Fragen beschäftigen Oliver Clemens, seit dem WS 2020/21 Professor für Chemische Materialsynthese am Institut für Materialwissenschaft der Universität Stuttgart.
[Foto: Uli Regenscheit]

Lithium-Ionen-Batterien sind weit verbreitet und bei sachgemäßem Umgang langlebig und sicher. Sie stoßen aber derzeit noch an ihre Grenzen, wenn kurze Ladezeiten mit hohen Stromdichten erreicht werden sollen. „Für stationäre Großspeicheranlagen sind sie schlichtweg zu teuer und stellen dort derzeit höchstens eine Überbrückungslösung zur Netzstabilisierung dar“, sagt Oliver Clemens.
Als eine mögliche Nachfolgetechnologie erforscht der 38-jährige Materialwissenschaftler unter anderem Fluorid-Ionen-Batterien. Diese sind interessant, wenn große stationäre Energiespeicher gebraucht werden, wie es zum Beispiel künftig bei steigendem Anteil nachhaltiger Technologien bei der Stromerzeugung der Fall sein wird. Die Technologie steckt allerdings noch in den Kinderschuhen, meint Clemens, „wir sehen aber durchaus Potential hinsichtlich der Schonung und Verteilung zukünftiger Ressourcen.“
Ein weiteres Forschungsinteresse der Gruppe um Oliver Clemens richtet sich auf Feststoffbatterien, eine spezielle Bauform, bei der der Elektrolyt nicht aus einer Flüssigkeit, sondern aus festem Material besteht. Sie gelten als Zukunftstechnologie, um elektrische Fortbewegung massentauglich zu machen – insbesondere verspricht man sich eine Verbesserung der Betriebssicherheit sowie schnelleres Laden. Und schließlich beschäftigt sich die Gruppe auch mit Recycling-Strategien. „Im Mittelpunkt steht dabei die Frage, wie man aus End- beziehungsweise Zwischenstufen des Recyclingprozesses wieder funktionale Materialien herstellen kann. Unser Ziel ist es, noch vor der Markteinführung neuer Materialien und Anwendung besonders recycling-effiziente Materialkombinationen zu betrachten.“

Prof. Oliver Clemens an einer Handschuhbox (Glove-Box), in der luftempfindliche Proben sicher verarbeitet und aufbewahrt werden können.

Materialfunktionen ein- und ausschalten

Eines haben die künftigen Batterie-Technologien gemeinsam: Für ihre Realisierung sind neue Materialien erforderlich. Die Verbindungen, die hierbei infrage kommen, reichen von Perowskiten und ihren Derivaten über Materialien mit Ruddlesden-Popper-artiger Struktur bis hin zu Festelektrolyten auf Granatbasis. Viele dieser Materialien haben komplementäre funktionale Eigenschaften, wie zum Beispiel eine magnetische Ordnung oder Supraleitfähigkeit. Die Kopplung solcher Eigenschaften an elektrochemische Reaktionen eröffnet einen Weg zu abstimmbaren funktionalen Eigenschaften. „Im Kontext der Batterien untersuchen wir daher auch die Veränderung und das Schalten von Materialeigenschaften“, erklärt Clemens. „So können wir zum Beispiel die Supraleitfähigkeit oder den Magnetismus von geeigneten Verbindungen in unseren Batterien ein- beziehungsweise ausschalten.“ Das ist Grundlagenforschung pur, ermöglicht aber auch verschiedene Anwendungen. Beispiele sind die spinbasierte energieeffiziente Elektronik oder die Datenspeicherung.

Arbeit an der Glove-Box.

Auch andere katalytische Prozesse im Blick

Im Kontext der Brennstoffzellenforschung und darüber hinaus richtet Clemens das Augenmerk auf die Darstellung von katalytisch aktiven Materialien und die nachträgliche Optimierung von deren Eigenschaften. Ziel ist es dabei, neue Materialien durch geringfügige Änderungen der Zusammensetzung mit verbesserten katalytischen Eigenschaften zu entwickeln.

An der Universität Stuttgart reizt Clemens die gute Anbindung seiner Professur an die Kolleg*innen im Fachbereich Chemie sowie das für die seine Forschung interessante industrielle Umfeld. “Die ausgezeichnete Ausstattung der Universität und der Fakultät, die Anbindung an die Max-Planck-Institute und auch die vorhandene Infrastruktur und Kompetenz für theoretische Berechnungen zu unseren Materialsystemen geben mir Möglichkeiten, die für die von uns behandelten Forschungsfragen einen idealen Match darstellen“, freut sich Clemens. „Und unsere Themen passen zudem in voller Breite zu den industriellen Partnern der Großregion.“

Über Prof. Oliver Clemens:

Oliver Clemens, geboren 1983 in Neunkirchen (Saar), studierte Chemie an der Universität des Saarlandes und promovierte dort 2012 auf dem Gebiet lithiumhaltiger Übergangsmetallphosphate. Nach einem Postdoc-Jahr an der University of Birmingham ging er 2013 als Gruppenleiter an das Gemeinschaftslabor Nanomaterialien der TU Darmstadt und des Karlsruher Instituts für Technologie KIT. An der TU Darmstadt wurde er 2016 in das renommierte Emmy-Noether-Programm der DFG aufgenommen und übernahm dort 2017 die Professur für Materialdesign durch Synthese im Fachbereich Materialwissenschaft. Seit dem Wintersemester 2019/20 war er im Rahmen einer Vertretungsprofessur am Institut für Materialwissenschaft der Universität Stuttgart tätig, wo er im September 2020 zum Universitätsprofessor für Chemische Materialsynthese berufen wurde.

Clemens erhielt 2013 den Dr. Eduard-Martin-Preis der Universität des Saarlandes in 2013 und 2014 eine Honorary Research Fellowship an der University of Birmingham. Zudem gehörte er 2018 zu den Emerging Investigators in Journal of Materials Chemistry A.

 

Kontakt:

Prof. Dr. Oliver Clemens
Universität Stuttgart, Institut für Materialwissenschaft
Abt. Chemische Materialsynthese
Tel. +49 711 685 61932
Email

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